Обобщенная структура центрального процессора

Содержание

 

1. Обобщенная структура центрального процессора

2. Центральное Устройство Управления.

3. Основные характеристики и классификация устройств управления

4. Арифметико-Логическое Устройство (АЛУ)

5. Назначение и классификация АЛУ.

6. Структура АЛУ для сложения и вычитания чисел с фиксированной запятой

7. Структура АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой (сумматор частичных произведений)

8. Умножение, начиная с младших разрядов множителя со сдвигом суммы частичных произведений вправо и при неподвижном множимом.

9. Умножение, начиная с младших разрядов множителя при сдвиге множимого влево и неподвижной сумме частичных произведений.

10. Умножение, начиная со старших разрядов множителя при сдвиге суммы частичных произведений влево и неподвижном множимом.

11. Умножение, начиная со старших разрядов множителя при сдвиге вправо множимого и неподвижной сумме частичных произведений.

12. Методы ускорения умножения. Умножения на 2 разряда множителя.

13. Деление дробных чисел

14. Деление целых положительных чисел.

18. Классификация аппаратных средств многопроцессорных вычислительных комплексов (МПВК) по Ф.Г. Энслоу.

19. МПВК с общей шиной

20. МПВК с перекрестной коммутацией

21. МПВК с многовходовыми

22. Ассоциативные вычислительные системы

23. Матричные вычислительные системы

24. Структура векторной вычислительной системы.

25. Принципы векторной обработки.

26. Факторы, снижающие производительность векторных ЭВМ.

27. Параллельная обработка данных на ЭВМ.

28. Краткая история появления параллелизма в архитектуре ЭВМ.

29. Использования параллельных вычислительных систем. Закон Амдала.

30. Конвейерная и суперскалярная обработка.

31. Принципы управления внешними устройствами. Понятие интерфейса ввода-вывода.

32. Типы интерфейсов.

33. Управление обменом данными.

34. Понятие подхода открытых систем. Свойства открытых систем.

35. Профили стандартов открытых систем.

36. Архитектура открытых систем.

37. Преимущества идеологии открытых систем

38. Открытые системы и объектно-ориентированный подход

39. Вычислительные системы. Назначение. Принципы построения. Признаки структурной и функциональной организации

40. Классификация архитектур вычислительных систем. Классификация Флинна

41. Классификация Шора

42. Параллельные вычислительные системы. Основные классы современных параллельных вычислительных систем

43. Способы доступа к модулям памяти параллельных компьютеров

44. Современное состояние параллельных вычислительных технологий

45. MPP-архитектура

46. SMP-архитектура

47. PVP-архитектура

48. Кластерные системы

49. MBC-архитектура

50. NUMA-архитектура

Обобщенная структура центрального процессора

 

Процессоры бывают: сигнальные, коммуникационные, общего назначения, специализированные

Машинный такт – интервал времени, в течении которого выполняется одна микрокоманда.

 

 

ИПУ – Инженерный Пульт Управления

МП – Местная Память

УР – Управляющие Регистры

БКД – Блок Контроля и Диагностики

БССОП – Блок Связи С Основной Памятью

БЗП – Блок Защиты Памяти

Для реализации программного режима работы наряду с программными средствами используется специальные аппаратные средства. Кроме уже упомянутой системы прерываний к ним относятся следующие средства: защита памяти, динамического распределения памяти, службы времени и др.

 

Умножение, начиная с младших разрядов множителя при сдвиге множимого влево и неподвижной сумме частичных произведений

 

Регистр множителя должен иметь цепи сдвига вправо, регистр множимого – влево, сумматор не должен иметь цепей сдвига. Последовательность действий определяется младшим битом регистра множителя. При этом методе регистр множимого и сумматор частичных произведений должны иметь двойную длину. Этот метод требует больше оборудования, но никаких преимуществ не дает, поэтому его применение нецелесообразно.

Деление дробных чисел

 

Сводится к многократному вычитанию сначала из делимого, а потом из остатков (эти остатки умножаются на основание системы счисления – 10).

Сравнение величины модуля делимого и делителя, а впоследствии и остатков в ЭВМ производится с помощью операции вычитания (с помощью знака разности). Умножение делимого, а впоследствии остатков от деления на основание системы счисления осуществляется сдвигом исходного числа влево на 1 разряд. Z = X / Y. X – делимое, Y –делитель.

МПВК с общей шиной

 

Физическая или логическая (опр. методы передачи инфы по проводам). Все устр-ва в ней. Связь только между двумя устройствами. Малонадежны, делают дополнительную шину, кот-ую можно использовать для ускорения работы. Дост. – простота выполнения, доступ всех модулей к ОЗУ. Низкое быстродействие и надежность.

 

МПВК с многовходовыми ОЗУ

 

1) Коммутация устройств осуществляется в памяти

2) Модули памяти ОЗУ имеют число входов равное числу устройств, которое к нему подключается

3) Средства коммуникации распределены между несколькими устройствами

4) Для наращивания системы предусматривается дополнительные входы в память

Особенности:

1) Используется несколько путей передачи информации

2) Блоки ОЗУ должны быть снабжены логическими схемами для разрешения конфликтов – когда несколько внешних устройств требуют доступа к одному и тому же элементу.

3) Каждый модуль памяти должен идентифицировать и обрабатывать запросы на доступ к определенным ячейкам памяти. Максимально возможная конфигурация системы данного типа ограничена числом входов модулей памяти.

Типы интерфейсов

 

Деление в зависимости от типов соединяющих устройств. Различают:

1) внутренний интерфейс (системная шина, и т.п.)

2) интерфейс ввода-вывода (сопряжение с внешними устройствами)

3) интерфейсы межмашинного обмена (вычислительные сети)

4) интерфейса человек-машина.

 

Управление обменом данными

Классифицируется на основе участия ЦП в обмене.

Три способа управления обменом:

1) режим сканирования/асинхронный обмен

2) синхронный обмен

3) прямой доступ к памяти (DMA или ПДП)

1. Асинхронный режим. Суть: Опрос ЦП-ом перифирийного устройства. Такой режим снижает производительность ЭВМ. При большом быстродействии перифирийного устройства процессор может не успеть организовать обмен данными.

2. Синхронный режим. Процессор выполняет основную роль по организации обмена. Но когда устройство занято, то он выполняет другие операции. При наступлении сбоя – вызов прерывания.

3. DMA. Установка связи и передача данных между основной памятью и внешними устройствами – контроллер прямого доступа к памяти. Программирование DMA-контроллера: 1) В него передаются адреса основной памяти и количество передаваемых данных

2) ЦП от DMA-контроллера отключается, и может выполнять другую работу

3) Об окончании обмена контроллер сообщает процессору.

ПДП обеспечивает выполнение следующих функций: 1) освобождение процессора от управления операциями ввода-выводаю 2) позволяет параллельно организовать выполнение программы и ввод-вывод.

Архитектура открытых систем

 

Архитектура ОС является иерархическим описанием ее внешнего облика и каждого компонента.

1) интерфейс 2) учет интересов проектировщика системы 3) учет интересов системного программиста 4) учет интересов разработчика аппаратуры интерфейса оборудования, составляющего архитектуру типовых средств. В данное понятие входит: 1) Система команд процессора

2) Организация памяти 3) Ввод-вывод 4) Физическая реализация системной шины, шин памяти, интерфейсы внешних устройств, физический уровень передачи данных и физический уровень среды хранения.

Значение идеологии открытых систем состоит в том, что данная идеология открывает путь к унификации всех интерфейсов, протоколов взаимодействия между родственными устройствами для всего класса систем (открытых систем).

Классификация Шора

 

1) Количество устройств управления

2) Количество АЛУ

3), 4) наличие и способ организации памяти команд и памяти данных.

Предполагается, что выборка данных может осуществляться двумя способами: словами или вертикальной выборкой.

Существует 6 машин.

Машина № 1.

 

Последовательная обработка слов при параллельной обработке разрядов. Считывание данных осуществляется выборкой всех разрядов данного слова. 1) Классические последовательные машины 2) конвейрно-скалярные 3) векторно-скалярные.

 

Машина № 2

 

Последовательная обработка битовых слоев при параллельной обработке множества слов.

Матричные машины.

MPP -архитектура

 

Massive Parallel Processing (Массивно-параллельные системы). Архитектура: состоит из однородных вычислительных узлов, у каждого – своя локальная память, каждый узел включает один или несколько ЦП, в большинстве случаев – RISC. Прямой доступ к памяти других узлов невозможен.

Узел: 1) ЦП 2) локальная память 3) коммуникационный процессор 4) жесткие диски

Можно выделить специальные узлы ввода-вывода, управляющие узлы. Масштабируемость – до нескольких тысяч. Полноценная ОС работает только на управляющей системе (машине) – front end, а на других – урезанный вариант её же.

Модель программирования. MPP имеют более скоростные и более специализированные каналы связи между вычислительными узлами. В MPP фиксирован достаточно высокий уровень интерфейса прикладных программ. Характерное требование к системе: малая задержка, возможность совмещения передачи с вычислением, базирование на стандартах, поддержка различных топологий.

Особенности:

1) Сложность отдельных процессоров 2) Значительное увеличение числа параллельно работающих потоков 3) свойства по автоматическому обнаружению неисправностей и т.о. продолжение вычислений при выходе из строя отдельного процессора или потока.

SMP -архитектура

 

Symmetrical Multiprocessing. Архитектура: несколько однородных процессоров и массив общей памяти. Масштабируемость – не более 32-х процессоров. Наличие общей памяти упрощает взаимодействие между собой. Для построения масштабируемых систем на базе SMP используются кластерные или номо-архитектуры. ОС – вся система работает под управлением одной ОС (обычно Unix-подобной).

PVP- архитектура

 

Parallel Vector Processing. (SIMD). Присутствуют конвейерные процессы. Команды однотипной обработки. Работает в рамках МП объединенных посредством коммутатора. Векторизация циклов, распараллеливание.

Кластерные системы

 

Архитектура – набор персональных компьютеров. Для связи – стандартная сетевая архитектура. Могут одновременно использоваться в качестве рабочих мест/станций. Модель программирования: В рамках модели передачи сообщений MPI. Недостаток: большие накладные расходы на взаимодействие параллельных процессов.

Особенности:

1) Компоновка кластерных систем из компонентов высокой готовности

2) Построение на основе стандартных программно-аппаратных решений, которые поддерживают общую систему имен и возможностей доступа.

3) Согласованность наборов прикладных программ.

4) Общая для всех модулей организация ИБ

5) Общий алгоритм обнаружения неисправностей

6) Общий алгоритм реконфигурации системы при обнаружении ошибки

Коммутатор – мультиплексор. Область использования – мини- и микро- ЭВМ с непосредственными связями.

4) по характеру использования элементов и узлов: а) блочные б) многофункциональные АЛУ.

Блочное – операции над числами с фиксированной и плавающей запятой (двоичными) и над десятичными числами выполняются в отдельных блоках.

Многофункциональное – одни и те же элементы коммутируются в зависимости от требуемого режима работы.

Функциональная схема АЛУ:

Регистры разделены на части, которые могут объединяться. Конфигурация определяется типом операции.

Суть многофункционального АЛУ – для всех форм представления числовой информации операции выполняются одними и теми же схемами, но которые конфигурируются в зависимости от режима работы. Эти части объединяются элементами И в той конфигурации, которая определена видом выполняемой операции. Пример – выполнение операции над числами с фиксированной запятой. Сумматор – на две части, в первой мантисса, во 2ой – над порядками. И1 – разделяет. Применяется в машинах малой и средней производительности, позволяет сэкономить аппаратные средства.

АЛУ блочного типа – высокопроизводительные ЭВМ –

 

 

могут параллельно выполнять операции над информацией.

Обобщенная схема АЛУ:

ГрРг – группа регистров – прием и размещение операндов

 

 

ОпЧАЛУ – Операционная часть АЛУ – преобразование операндов согласно заложенного в машине алгоритма

Сх.К – схема контроля Сх.УП – формирование управляющих сигналов (УСов). Координация взаимодействия всех блоков АЛУ между собой, а также с другими блоками ЦП. Замечания: 1) ГрРг как правило связана с ОЗУ и м.б. ПЗУ, а также м.б. связана с регистрами общего назначения ЦП. 2) Количество регистров в блоке и их разрядность широко варьируется.

6) По способу организации работы – асинхронные и синхронные. В асинхронных АЛУ ожидается фактическое окончание операции, после этого начинается следующая операция. В синхронных АЛУ на выполнение отдельной операции отводится фиксированное время.

 

MBC -архитектура

 

Многопроцессорная вычислительная машина с массивно-параллельной архитектурой. Принципы построения: 1) По модульному принципу. 2) Структурная единица – вычислительный модуль из стандартных промышленных компонент. 3) Состав вычислительного модуля – вычислительный процессор и коммуникационный процессор. Взаимодействуют через разделяемую память.

4) Каждый модуль имеет собственную память (локальная память)

5) Количество модулей – от 10 до 1000

Применение – большой спектр задач и большой параллельный сервер БД.

 

NUMA- архитектура

 

Non-Uniform Memory Access. Состав: однородные базовые модули, небольшое число процессоров и блок памяти. Модули объединяются между собой с помощью коммуникационной сети. Поддерживает единое адресное пространство. Аппаратно поддерживает доступ к удаленной памяти. Масштабируемость: Ограничена объемом адресного пространства, возможностями аппаратуры, возможностями ОС по управлению процессорами. Максимум – 256 процессоров. Обычно под управлением единой ОС.

Содержание

 

1. Обобщенная структура центрального процессора

2. Центральное Устройство Управления.

3. Основные характеристики и классификация устройств управления

4. Арифметико-Логическое Устройство (АЛУ)

5. Назначение и классификация АЛУ.

6. Структура АЛУ для сложения и вычитания чисел с фиксированной запятой

7. Структура АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой (сумматор частичных произведений)

8. Умножение, начиная с младших разрядов множителя со сдвигом суммы частичных произведений вправо и при неподвижном множимом.

9. Умножение, начиная с младших разрядов множителя при сдвиге множимого влево и неподвижной сумме частичных произведений.

10. Умножение, начиная со старших разрядов множителя при сдвиге суммы частичных произведений влево и неподвижном множимом.

11. Умножение, начиная со старших разрядов множителя при сдвиге вправо множимого и неподвижной сумме частичных произведений.

12. Методы ускорения умножения. Умножения на 2 разряда множителя.

13. Деление дробных чисел

14. Деление целых положительных чисел.

18. Классификация аппаратных средств многопроцессорных вычислительных комплексов (МПВК) по Ф.Г. Энслоу.

19. МПВК с общей шиной

20. МПВК с перекрестной коммутацией

21. МПВК с многовходовыми

22. Ассоциативные вычислительные системы

23. Матричные вычислительные системы

24. Структура векторной вычислительной системы.

25. Принципы векторной обработки.

26. Факторы, снижающие производительность векторных ЭВМ.

27. Параллельная обработка данных на ЭВМ.

28. Краткая история появления параллелизма в архитектуре ЭВМ.

29. Использования параллельных вычислительных систем. Закон Амдала.

30. Конвейерная и суперскалярная обработка.

31. Принципы управления внешними устройствами. Понятие интерфейса ввода-вывода.

32. Типы интерфейсов.

33. Управление обменом данными.

34. Понятие подхода открытых систем. Свойства открытых систем.

35. Профили стандартов открытых систем.

36. Архитектура открытых систем.

37. Преимущества идеологии открытых систем

38. Открытые системы и объектно-ориентированный подход

39. Вычислительные системы. Назначение. Принципы построения. Признаки структурной и функциональной организации

40. Классификация архитектур вычислительных систем. Классификация Флинна

41. Классификация Шора

42. Параллельные вычислительные системы. Основные классы современных параллельных вычислительных систем

43. Способы доступа к модулям памяти параллельных компьютеров

44. Современное состояние параллельных вычислительных технологий

45. MPP-архитектура

46. SMP-архитектура

47. PVP-архитектура

48. Кластерные системы

49. MBC-архитектура

50. NUMA-архитектура

Обобщенная структура центрального процессора

 

Процессоры бывают: сигнальные, коммуникационные, общего назначения, специализированные

Машинный такт – интервал времени, в течении которого выполняется одна микрокоманда.

 

 

ИПУ – Инженерный Пульт Управления

МП – Местная Память

УР – Управляющие Регистры

БКД – Блок Контроля и Диагностики

БССОП – Блок Связи С Основной Памятью

БЗП – Блок Защиты Памяти

Для реализации программного режима работы наряду с программными средствами используется специальные аппаратные средства. Кроме уже упомянутой системы прерываний к ним относятся следующие средства: защита памяти, динамического распределения памяти, службы времени и др.